KR101060986B1 - 분산 촉매 배열을 갖는 배기 가스 후처리용 캐리어체 - Google Patents

분산 촉매 배열을 갖는 배기 가스 후처리용 캐리어체 Download PDF

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Abstract

지지체 (1) 의 표면 (35) 에 분산 형태로 배열되는 하나 이상의 유형의 촉매 요소 (32) 를 포함하는 촉매 활성 코팅 (2) 을 갖는 코팅부 (8) 를 하나 이상 포함하는 전체 표면 (7) 을 갖는 지지체 (1) 로서,
- 상기 촉매 요소 (32) 는 표면을 따른 3 마이크로미터 이상의 평균 간격 (34) 을 갖고,
- 상기 표면 (35) 은 2 내지 10 마이크로미터의 평균 조도 깊이 (Rz) 를 가지며,
- 상기 지지체 (1) 는 매끈하고 코팅되지 않은 표면 (35) 을 갖는 지지체와 비교하여 압력 손실에 있어서 25 % 의 최대 증가를 갖는 지지체 (1).
지지체, 지지체의 제조 방법, 배기 가스 처리 장치.

Description

분산 촉매 배열을 갖는 배기 가스 후처리용 캐리어체{CARRIER BODY FOR EXHAUST GAS AFTERTREATMENT WITH DISPERSED CATALYST ARRANGEMENT}
본 발명은 촉매 활성 코팅을 위한 지지체에 관한 것이다. 이러한 유형의 지지체는 특히 차량에서 배기 가스의 후처리를 위해 사용된다.
이러한 유형의 지지체는 특히, 하나 이상의 적어도 부분적으로 구조화된 가스 불투과성 재료층으로 이루어지는 방식으로 구성되어, 0.5 ㎟ 의 최소 단면을 갖는 다수의 유동 경로가 존재하며, 이 유동 경로 중 적어도 대부분은 하나 이상의 인접한 유동 경로로 가는 복수개의 통로를 갖도록 설계된다. 배기 가스 내에 함유된 오염물질의 변환이라는 측면에서의 이러한 유형의 지지체의 효과는 넓은 범위의 다양한 기준에 의해 영향을 받는다. 두 주된 요구 조건으로는 오염 물질을 촉매 활성 코팅 쪽으로 효과적으로 질량 전달할 것, 및 지지체를 통한 유동의 결과로 배기 가스 기류 내에 생성되는 배압이 낮을 것이 요구된다. 원하는 배압을 갖는 개선된 질량 전달을 위해서는 지지체 내의 내기 가스의 유동 메커니즘에 영향을 줄 필요가 있다는 것이 알려져 있다. 이와 관련해서, 통로 또는 유동 경로 내의 난류 (turbulent flow) 가 질량 전달을 상당히 증가시키는 것으로 알려졌다. 난류의 형성은 다른 지지체의 질량 전달 계수보다 전체적으로 큰 질량 전달 계수가 얻어지게 된다.
배기 가스 처리 효과를 더욱 향상시키기 위해, 촉매 내의 한 채널에서 다른 채널로의 부분적인 배기 가스 유동 사이의 반경방향 횡단 교환을 일으키는 것이 가능해져, 지금까지 사용되지 않았던 표면들도 보다 효과적으로 활용할 수 있다. 이러한 유동 평형은 예를 들면 천공된 금속 포일에 의해 실현 가능하다. 매끈한 포일 및 주름진 포일 모두에는 큰 직경, 특히 채널의 직경보다 큰 직경을 갖는 구멍이 구비된다. 이 구멍들은 채널 벽을 차단하여 개별 부분 배기 가스 유동들 사이의 원하는 상호작용을 일으킨다.
하지만, 지지체 내의 배기 가스에 대한 변화된 유동 조건은 오염 물질의 변환을 위한 화학 반응과 관련한 변화된 조건으로 이어진다. 배기 가스와 코팅 표면 사이의 상당히 개선된 질량 전달에도 불구하고, 원하는 정화 작용 또는 변환율이 항상 달성될 수 있는 것은 아니라는 것이 발견되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술과 관련하여 드러난 문제점을 적어도 부분적으로 해결하는 것이다. 특히, 지지체 내부의 난류 유동 조건에 적합하고 배기 가스 내의 오염 물질의 보다 효과적인 변환을 가능하게 하는 지지체를 구체화하는 것을 목적으로 한다. 또한, 특히 균일한 코팅을 얻을 수 있고, 따라서 그러한 코팅이 작동 중에 배기 가스의 유동 특성에 단지 경미한 영향을 미치도록 하는 코팅된 촉매 지지체를 제조하는 방법을 구체화하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적은 청구항 제 1 항의 특성에 따른 지지체 및 청구항 제 17 항의 특성을 갖는 제조 방법으로 달성된다. 본 발명의 유리한 개량 및 구성은 각 종속항에 구체적으로 주어진다.
청구범위에 개별적으로 나열된 특징은 본 발명의 추가적인 구성을 제공하기 위하여 임의의 적절한 기술적 방식으로 서로 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 지지체는 촉매 활성 코팅을 갖는 코팅부를 하나 이상 포함하는 전체 지지 표면을 갖고, 지지체의 표면에 분산 형태로 배열되는 하나 이상의 유형의 촉매 요소를 포함하며,
- 상기 촉매 요소는 표면을 따른 3 마이크로미터 [㎛] 이상의 평균 간격을 갖고,
- 상기 표면은 2 내지 10 마이크로미터 [㎛] 의 평균 조도 깊이 (Rz) 를 가지며,
- 상기 지지체는 매끈하고 코팅되지 않은 표면을 갖는 지지체와 비교하여 압력 손실에 있어서 25 % 의 최대 증가를 갖는다.
넓은 범위의 다양한 개념이 상기 지지체의 구성에 사용될 수 있다. 예를 들면, 가스가 유동할 수 있고 한정된 개수, 위치 등의 유동 경로를 갖는 모노리스 (monolith) 를 형성할 수 있지만, 또한 모노리스가 예컨대 폼 (foam) 등의 형태로 임의의 (무질서한) 캐비티 구조를 갖도록 설계될 수도 있다. 가스 기류는 지지체를 규칙적으로 통과하여, 한 측으로 유입되어 (다른) 한 측으로 빠져나온다. 가스 기류는 유동 경로 및/또는 캐비티 구조를 한정하는 재료 표면을 통과한다. 전체 지지 표면은 이러한 유동 경로의 이들 벽의 표면 및 내부 재료 표면을 포함하며 지지체의 "기하학적 표면 영역" (GSA) 으로 공지된 것과 실질적으로 일치한다.
이러한 전체 지지 표면의 적어도 일부는 코팅된다. 복수개의 (서로다른) 코팅부를 제공하는 것도 가능하다. "촉매 요소"란 특히 평균 크기를 정할 수 있는 입상물을 말한다. 촉매 요소의 외부 현상은 적용에 따라 구체적으로 선택될 수 있으며, 대략 구형인 것이 바람직하다. 이러한 촉매 요소는 지금은 표면 (즉, 코팅부에 배열되는 전체 지지 표면의 일부) 상에 분산 형태로 배열되며, 이는 본질적으로 전체 영역에 걸쳐 연속적인 코팅이 있어서는 안됨을 의미한다. 오히려, 촉매 요소는 표면 상에 또는 표면에 적어도 부분적으로, 하지만 바람직하게는 완전히 적용된다.
본 발명에 따르면, 촉매 요소는 표면을 따른 평균 간격이 3 ㎛ 이상, 바람직하게는 3~9 ㎛ 의 범위가 되도록 표면 상에 배열된다. 평균 간격과 관련하여서는, 이 용어가 무엇보다도 코팅부의 대표 영역 내에 존재하는 평균 값을 의미하는 것이라는 점을 주목하여야 한다. 또한, 상기 간격은 표면을 따르는 것이지만, 순수한 거리를 나타내는 것은 아니다. 표면을 따른 평균 간격은 배기 가스 기류가 한 촉매 요소로부터 인접한 촉매 요소로 유동할 때 표면을 따라 이동하게 되는 거리에 상당한다. 촉매 요소의 크기에 따라, 평균 간격은 적어도 촉매 요소의 크기 (1xD) 로부터 촉매 요소의 크기 (D) 의 20 배 (20xD) 인 범위 내에 있어야 한다. 이는 특히 분산되어 분포된 촉매 요소가 고온을 포함하는 주변 조건 하에서 서로 융합하는 것을 방지하여, 촉매 활성 표면 영역을 감소시킨다.
촉매 요소의 이러한 융합을 특히 효과적으로 방지하기 위하여, 표면의 평균 조도 깊이 (Rz) 는 2 ~ 10 ㎛ 일 것, 특히 3 ~ 6 ㎛ 일 것이 요구된다. 평균 조도 깊이 (Rz) 는 적어도 코팅부의 대표 영역과 관련되며, 적절한 경우에는 전체 표면과도 관련된다. 압연된 표면의 경우, 평균 조도 깊이는 특히 압연 방향에 대해 길이방향으로 취해져야 한다. 평균 조도 깊이 (Rz) 는 조도 분포의 개별 측정 구역 내에서 최고점과 최저점에서의 두 평행선 사이의 거리에 이르는 복수개 (일반적으로 5개) 의 개별 조도 깊이의 산술 평균을 의미하는 것으로 이해된다. 이 조도 분포에서, 조도의 피크는 최초에 촉매 요소의 바람직한 위치로 이어지지만 특히 촉매 요소의 융합을 방해하는 동시에 촉매 요소의 외부 표면의 넓은 부분이 표면에서 효과적인 화학 반응에 이용가능하도록 하는 장벽을 제공한다. 이와 관련하여, 특히 적어도 코팅부 내에서 조도 분포 구성이 균일한 것이 바람직하다.
이러한 목적을 위하여, 지지체는 매끈하거나 코팅되지 않은 표면을 갖는 지지체와 비교하여 최대 25%, 특히 15% 이하의 압력 손실의 증가를 가질 것이 요구된다. 이는 또한 조도 깊이 (Rz) 가 낮은 공차를 갖도록 실질적으로 균일하게 설계되어, 지지체의 장기간 사용 이후에도 코팅부 내의 균일한 변환 특성이 유지될 수 있도록 설계된다는 것을 나타낸다. 하지만, 또한 조도 분포의 형성의 결과로서, 배기 가스의 유동 (특히, 난류 유동) 특성이 나쁜 영향을 받도록 유동 경로의 수력 직경이 감소되는 것이 보장된다. 따라서 이는 특히 조도 분포의 형성이 벽에 매우 근접한 영역에 제한된다는 것을 나타낸다.
매끈하거나 코팅되지 않은 표면은 특히 사용된 재료의 표면 품질을 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 일반적으로 (압연 방향을 따른) 평균 조도 깊이 (Rz) 가 1 ㎛ 이하의 범위 내에 있음 (매끈함) 을 의미한다. 이러한 유형의 표면을 갖는 하나 이상의 지지체가 기준으로서 사용될 수 있다. 압력 손실의 증가를 결정하기 위해, 온도가 900℃ 인 배기 가스가 기준 지지체 또는 매끈하거나 코팅되지 않은 표면을 갖는 지지체를 통하여 550 kg/h 의 질량 유동으로 유동해야 하고, 지지체의 하류에 있는 시험 배기 시스템에서의 압력은 1.25 bar 이어야 한다. 그 후 지지체에서의 압력 강하가 결정되고, 그 결과 예를 들면 길이가 118 ㎜ 인 허니컴체 형태의 금속 포일로 만들어진 지지체에 대해, 직경이 110 ㎜ 이고 채널 밀도가 400 cpsi (제곱인치 당 셀) 이며, 압력 손실은 대략 69 mbar 가 된다. 본 발명에 따른 표면의 구성을 시험하기 위해, 요구되는 조도 분포를 갖는 동일한 지지체가 이 과정을 거치게 되며, 조도 분포 및/또는 코팅으로 인해 더 큰 압력 강하가 검출될 수 있다. 하지만, 발생하는 압력 강하의 증가는 최대 25%로 제한되며, 이는 이 한계가 초과되면 예를 들어 보다 균일한 조도 분포 및/또는 보다 낮은 코팅 두께가 제공되어야 함을 의미한다.
본 발명에서, 특히 내부에서 가스의 난류 유동을 일으킬 수 있는 지지체의 경우, 느린 질량 전달 (확산) 때문에 일반적으로 코팅의 더 깊은 영역 내에 배열되는 촉매 요소에는 더 이상 도달하지 못함을 발견하였다. 따라서, 촉매 요소를 표면에 적용하고자 하였다. 이러한 목적을 위해, 촉매 요소가 간격을 두고 배열되도록 함으로써, 촉매 요소와 정화된 배기 가스 기류 사이의 충분히 크고 장기간의 접촉 영역이 보장되고, 조도 분포는 촉매 요소들 사이의 접촉에 대한 장벽을 형성한다. 이리 하여 예컨대, 인접한 촉매 요소가 서로 결합하는 방식으로, 촉매 요소가 사용 시에 형상을 변화시키지 않도록 방지하는데, 이 형상 변화는 촉매 요소의 평균 크기의 상당한 변화 및 촉매 요소의 표면 영역에 대한 불리한 체적비로 이어질 수 있고, 이에 따라 촉매 지지체의 효유성을감소시킬 수 있다. 이는 이제 방지된다.
또한, 상기 촉매 요소는 상기 전체 지지 표면의 단위 면적당 0.2 내지 2.0 [g/㎡] 의 양으로 배열되는 경우 유리하다. 전체 지지 표면의 0.2 내지 2.0 g/㎡ [단위 면적당 그램] 의 양은 이동 내연 기관을 위한, 예를 들면, 가솔린 또는 디젤 배기 가스의 정화를 위하여 특별히 설계된 것이다. 귀금속 촉매 백금에 대해서는 0.4 내지 0.8 g/㎡ 의 범위가 특히 바람직하다. 보다 낮은 수준에의 로딩 (loading) 이 선택되면, 정화될 배기 가스의 조성이 바람직하지 않은 경우, 특정 상황 하에서 오염 물질의 부적절한 변환이 일어날 수 있다. 로딩이 지시된 범위를 초과하면, 귀금속 촉매는 서로 중첩될 수 있으며, 이는 촉매 활성에 있어서의 추가적인 증가를 가져오지 않고, 단지 제조 비용만 증가시키게 된다.
상기 유형의 촉매 요소는 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 귀금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 이러한 촉매 요소에 대해, 상기 촉매 요소의 평균 크기는 5 내지 10 나노미터 [㎚] 범위인 것이 바람직하다.
촉매 활성 코팅의 지지체의 바람직한 개량에 따르면, 이러한 지지체는 하나 이상의 적어도 부분적으로 구조화된 가스 불투과성 재료의 층을 갖도록 구성되어, 0.5 제곱 밀리미터 [㎟] 의 최소 단면을 갖는 유동 경로가 다수 존재하고, 그 유동 경로 중 적어도 대부분은 하나 이상의 인접한 유동 경로로 가는 복수개의 통로를 갖도록 설계된다.
이에 따라, 지지체는 허니컴체로 공지된 것이 바람직하며, 그 유동 경로에는 서로 평행하게 배열되는 실질적으로 곧은 채널이 다수 형성되어 있다. 이 유동 경로 또는 채널은 하나 이상의 가스 불투과성 재료의 층을 사용하여 형성될 수 있다. 이 경우, 완전히 구조화된 그리고/또는 완전히 매끈한 층을 제공하는 것이 가능하지만, 또한 부분적으로 형성된 구조물을 갖는 혼합된 층을 사용하는 것도 가능하다. 가스 불투과성 재료에 관하여는, 이는 일반적으로 내부식성이고 고온에 견딜 수 있는 재료이다. 예를 들면 금속 산화물과 같은 (비다공성) 세라믹, 및 이러한 조건에서 견딜 수 있는 금속들 모두 사용 가능하다.
또한, 유동 경로에는 0.5 ㎟ 의 최소 단면이 구비된다. 이는 특히 이 유동 경로가 공극 및/또는 한정할 수 없고 무질서한 유동 경로가 아니라, 서로 실질적으로 명확하게 구별될 수 있는 유동 경로임을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 특히, 최소 단면은 0.8 ㎟ 이상 또는 심지어 1.0 ㎟ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 이 최소 단면은 최소 단면을 국소적으로 감소시키는 내부 부속품 (만입부 (indentation), 안내 베인(vane) 등) 을 고려하지 않고, 유동 경로의 전체 길이에 대한 평균값에 관한 것임을 주목해야 한다. 이와 관련하여, 최소 단면은 구체적으로 내부 부속품 안내 표면, 좁아진 유동 경로 등이 없는 유동 경로의 영역에 관한 것이다.
또한, 유동 경로의 대부분은 하나 이상의 인접한 유동 경로로 가는 복수개의 통로를 갖는다. 모든 유동 경로에 복수개의 통로가 구비되는 것이 유리하다. 예를 들면 층 자체 내에 통로를 형성하여, 배기 가스가 바로 인접한 유동 경로로 관류할 수 있도록 함으로써, 상기 통로는 바로 인접한 유동 경로로의 연결을 이룰 수 있다. 하지만, 대안으로서, 또는 추가로 층의 순수한 변형에 의해 통로가 제조될 수도 있으며, 이 경우 예를 들면, 바로 인접한 채널은 건너뛰게 되는데, 이 경우 배기 가스는 대신 하나를 제외한 다음 유동 경로 내로 들어갈 수도 있다. 통로는 바람직한 주 유동 방향으로 지지체를 통과하여 유동하는 배기 가스가 이 주 유동 방향에 횡방향으로 전환되고 그리고/또는 소용돌이쳐서, 배기 가스 또는 부분 배기 가스 기류가 여러번 유동 경로를 변경하는 것을 가능하게 하는 기능을 갖는다.
이 점에서 전체 지지 표면의 하나 이상의 코팅부에 촉매 활성 코팅이 구비되는 것이 제안되기도 한다. 코팅부는 층의 일부일 수 있지만, 전체 지지체가 그 축선 길이의 일부에 걸쳐 이러한 유형의 코팅부를 갖는 것이 바람직하다. 다시 말해, 이는 또한 모든 유동 경로에는 (그 축선 방향의 동일 부분에 위치한 지지체에 대하여) 길이 부분에 코팅이 구비되는 것을 의미하기도 한다. 예컨대 지지체의 단부측으로부터 시작하여 지지체의 깊이 내로 이어지는 최대 30 ㎜ 또는 심지어는 단지 20 ㎜ 인 코팅부가 촉매 활성되는 것도 생각해볼 수 있다. 하지만, 예를 들면전체 지지 표면이 촉매 활성 코팅을 갖도록 설계되는 것도 가능하다.
지지체의 또 다른 구성에 따르면, 지지체는 코팅 두께가 15 마이크로미터 [㎛] 이하인 촉매 활성 코팅이 구비되는 전체 지지 표면의 하나 이상의 코팅부를 갖는다. 그렇지 않은 경우 지지체 내부의 난류 유동의 결과로 배기 가스 내의 오염 물질을 변환하기 위한 통상적인 확산 과정이 더 이상 익숙한 방식으로 일어나지 않는다는 것이 발견되었다. 코팅 두께의 상당한 감소는 한편으로는 유동 경로의 수력 직경의 증가로 이어지고, 이에 의해 지지체를 통과하는 배기 가스의 유동에 대하여 더 낮은 압력 손실이 일어난다. 다른 한편으로는, 코팅은 표면에 근접한 촉매 활성 영역의 적합한 분포를 갖도록 설계되어, 오염 물질의 촉매 변환은 그곳에서 더욱 개선될 수 있다. 특별한 적용 또는 유동 경로 및/또는 배기 가스 조성의 유형에 따라, 코팅의 두께는 상당히, 예를 들면 최대 8 ㎛ 또는 최대 1 ㎛ 로 감소될 수도 있다.
지지체의 유리한 개량에 따르면, 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 귀금속 촉매는 경계층 두께가 1 마이크로미터 [㎛] 이하인 표면 경계층 내에만 구비된다. 이는 다시 말하면 귀금속 촉매는 오직 코팅의 표면 상에서만 제공된다는 것을 의미한다. 경계층 두께는 더작을수록, 예컨대 0.1 ㎛ 이하인 것이 유리하다. 이에 따라, 경계층 두께의 한계는 귀금속 촉매를 (비활성) 내부 깊이 도핑하지 않도록 하면서, 표면 경계층이 얼마나 반응성이 있는지를 나타낸다.
지지체의 개량에 따르면, 상기 코팅은 다공성 저장층을 포함하고, 적어도 하나의 코팅부에는 5 내지 30 g/㎡ 의 다공성 저장층이 제공된다. 10 내지 20 g/㎡의 범위가 특히 바람직하다. 다공성 저장층은 특히 산소 저장 능력을 제공하며, 예를 들면 와시코트 (washcoat) [Al2O3 포함] 또는 산화 세륨 [CeO] 이라고 공지되어 있는 것에 의해 실현된다. 이러한 유형의 저장층은 특히, 정화되는 배기 가스가 단지 소량의 산소만을 함유하고 있는 경우에 사용되어, 이 성분들은 화학 반응을 위해 저장층 내에 저장된다. 이 저장층은 코팅 두께가 최대 10 ㎛ [마이크로미터], 바람직하게는 단지 6 ㎛ 인 것이 유리하며 적절한 경우 귀금속 촉매를 실질적으로 포함하지 않는 것이 유리하다. 디젤 엔진으로부터의 배기 가스가 처리되는 경우에는, 탄화수소 저장원으로서 제올라이트 (zeolite) 를 포함하는 저장층을 사용하도록 제안되며, 가솔린 엔진의 경우에는 산소 저장원 (세륨/지르코늄 산화물) 을 사용하도록 제안된다.
또한 2 이상의 층, 예를 들면 서로 지시된 간격을 갖는 귀금속 촉매를 갖는 표면 경계층, 적용 지향 저장층, 및 그 사이에 배열되어 표면층 내의 배기 가스 성분과 저장층 사이의 원하지 않는 상호작용을 방지하는 장벽 층을 제공하는 것이 유리할 수 있다.
코팅 자체의 구조, 즉 코팅 요소의 배열 및 구성은 상당히 관련성이 있을 수 있으며, 이에 따라 이러한 코팅이 지지체에 적용되거나 공지의 마이크로기술 및/또는 나노기술에 의해 만들어지는 것이 유리하다고 여겨지는 점을 주목해야 한다. 마이크로기술 (마이크로 구조화 기술이라고도 함) 은 마이크로 범위 (0.1 ㎛ ~ 1000 ㎛) 의 치수를 갖는 몸체 및 기하학적 구조물을 제조하는 방법을 다룬다. 나노기술은 예를 들면 100 나노미터 [㎚] 보다 작은 대상 및 구조물의 제조를 다루는 넓은 범위의 기술에 대한 통칭적인 용어로서 사용된다. 이러한 방법은 코팅이 보다 목적적이고 한정적인 방식으로 구성되도록 한다.
지지체의 개량에 따르면, 유동 경로는 와이어 필라멘트의 직물에 의해 적어도 부분적으로 한정된다. 지지체가 미리 정해진 수의 완전히 구조화된 층과 이에 상응하는 수의 금속 와이어 필라멘트로 만들어진 직물로 형성되고, 구조화된 층 및 직물은 서로 교대로 배열되는 것이 특히 바람직하다. 이 경우, 직물과 함께 층의 구조는 유동 경로에 대한 경계 또는 벽을 형성한다. 층이 가스 불투과 재료로 구성된다는 사실의 관점에서, 예를 들면 구조화된 층을 유동 경로의 단면을 좁히는 데 사용함으로써 유동 경로를 통과하여 유동하는 부분 가스 기류를 필터링하여, 부분 가스 기류가 적어도 부분적으로 직물 내로 들어가도록 또는 심지어 그 직물을 통과하도록 할 수 있다. 지지체의 개별 요소가 일반적으로 매우 상당한 열적 및 동적 스트레스에 노출된다는 사실의 관점에서, 층 및 직물 모두는 동일한 재료로 제조되는 것이 유리하다. 명확하게는, 여기서 "직물 (fabric)"이라는 용어는 함께 걸리거나, 용접되거나, 납땜되거나, 소결 등이 될 수 있는 다양한 유형의 금속 필라멘트 조합 무작위 배열, 직물 (woven fabric), 편직물, 부직포 등에 대한 통칭적인 용어로서 이해되어야 한다.
이러한 면에서, 하나 이상의 적어도 부분적으로 구조화된 층은 스테인리스 강 포일을 포함할 것이 제안된다. 이는 특히 대략 18 ~ 22 중량%의 크롬, 대략 4.5 ~ 6 중량%의 알루미늄, 베이스인 철과 함께 약 0.04 ~ 0.08 중량% 사이의 티타늄, 이트륨 및 지르코늄 첨가물을 함유하는 금속 포일을 의미하는 것으로서 이해되어야 한다. 내부식성이고 고온에 견딜 수 있는 이러한 재료는 자동차 산업에 사용되는 공지된 촉매 지지체에 대해 적합하다는 것이 이미 입증되어 있다.
작은 코팅 두께로, 지지체의 긴 사용 수명을 보장하기 위해서, 코팅은 스테인리스 강 포일 및/또는 직물에 단단히 고정되는 것이 유리하다. 따라서, 또한 상기 하나 이상의 코팅부에서 적어도 와이어 필라멘트 또는 스테인리스 강 포일의 조도 깊이 (Rz) 는 2 내지 6 ㎛ [마이크로미터] 의 범위일 것이 제안된다. 예컨대 만약 저장층이 스테인리스 강 포일 또는 와이어 필라멘트에 구비되면 조도 깊이는 2 ~ 3 ㎛ 인 것이 유리하다. 만약 이러한 유형의 저장층이 없고 촉매가 와이어 필라멘트 및/또는 스테인리스 강 포일의 표면에 직접 공급되는 경우, 와이어 필라멘트 및/또는 스테인리스 강 포일의 조도 깊이는 3 ~ 6 ㎛ 범위에 있게 된다.
이와 관련하여, 적어도 와이어 필라멘트 또는 스테인리스 강 포일은 조성물로서 알루미늄을 포함하며, 이 알루미늄은 하나 이상의 코팅부 내의 표면 산화물로서 형성되는 것이 특히 유리하다. 와이어 필라멘트 및 스테인리스 강 포일 모두는 표면 상에 알루미늄 포일이 형성되는 것이 바람직하다. 이는 특히 스테인리스 강 포일 또는 와이어 필라멘트가 열처리되어, 금속 내에 존재하는 알루미늄으로부터 표면 상에 산화 알루미늄이 형성된다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
예를 들면 이하에 구체화된 스테인리스 강 포일에 대하여, 두께가 50 ㎛ [마이크로미터] 인 스테인리스 강 포일을 공기 중에서 900℃에서, 또는 아르곤, 4 중량%의 H2 및 7 중량%의 H2O 로 이루어진 가스 혼합물 내에서 925℃에서 70 시간동안 처리하여, 적합한 표면 산화물 (특히 공지된 감마 또는 세타 Al2O3 등) 을 얻을 수 있다. 시험된 스테인리스 강 포일은 한 경우에 재료 "Fecralloy" (Fe: 72.3 중량%, Cr: 22.0 중량%, Al: 5.10 중량%, Si: 0.42 중량%, Hf: 0.01 중량% 미만, Mg: 0.003 중량%, Mn: 0.10 중량%, Ti: 0.051 중량%, Y: 0.074 중량%, Zr: 0.077 중량%, C: 0.048 중량%, S: 0.001 중량% 미만, N: 0.0180 중량%, O: 0.0160 중량%), 또는 "Aluchrom YHF" (Fe: 72.0 중량%, Cr: 20.5 중량%, Al: 5.39 중량%, Si: 0.29 중량%, Hf: 0.026 중량%, Mg: 0.008 중량%, Mn: 0.12 중량%, Ti: 0.005 중량%, Y: 0.041 중량%, Zr: 0.055 중량%, C: 0.035 중량%, S: 0.002 중량%, N: 0.0034 중량%, O: 0.0086 중량%) 이었다. 표면 산화물의 형성 후에는 귀금속 촉매가 적용되었다.
지지체의 추가적인 바람직한 구성에 따르면, 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 귀금속 촉매가 적어도 와이어 필라멘트 또는 스테인리스 강에 직접 적용된다. 귀금속 촉매는 와이어 필라멘트 및 스테인리스 강 포일에 실질적으로 균일하게 적용되는 것이 바람직하다. 저장층은 이 점에서 구비되지 않는다. 따라서, 전체적인 결과는, 예를 들면, 코팅 높이는 30 ㎚ [나노미터] 미만, 특히 0.5 내지 20 ㎚ 의 범위에 있다.
지지체의 유동 경로 내의 유동이 가능한 난류가 되도록 보장하기 위하여, 추가적으로 각각의 유동 경로는 길이를 갖고, 이 길이에 걸쳐 20 ㎜ 이하의 반복 간격으로 통로를 가질 것이 제안된다. 다시 말해 적어도 20 ㎜ 마다, 유리하게는 심지어 최대 10 ㎜ 마다, 인접한 유동 경로로 가는 통로가 구비된다. 서로 다른 인접한 유동 경로 쪽으로의 방향 전환 또는 그 유동 경로와의 교차 혼합이 연속적이고 반복적인 간격으로 일어나는 것이 특히 바람직하다.
원칙적으로, 난류 유동을 얻기 위해서는, 예를 들면 지지체의 작동 동안 막히지 않을 수 있는 충분한 수의 큰 통로를 각 유동 경로에 제공하는 것으로 충분하다. 하지만, 상기 통로들 중 적어도 일부는 상기 유동 경로 내로 돌출되는 안내 표면에 주어져 있는 구성을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 유형의 안내 표면은, 예를 들면 통로를 둘러싸는 (인접) 영역 내의 층에 천공을 형성하거나 또는 만입부를 형성함으로써 형성될 수 있다. 안내 표면이 돌출하는 정도에 대하여, 안내표면은 예를 들면 유동 경로의 최소 단면의 대략 50~80% 를 막아, 통과해 유동하는 배기 가스에 대해 상응하는 동압을 생성하는 것이 유리하다. 그 결과, 부분 배기 가스 유동은 이전 통로 및/또는 직물을 통과하게 된다.
하나 이상의 층 내에서 통로에 적어도 부분적으로 구멍이 형성되는 지지체의 한 개량에 따르면, 상기 구멍은 구멍 단면이 적어도 25 제곱 밀리미터 [㎟] 이다. 구멍 단면이 적어도 50 ㎟ 인 구성을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 예컨대 구멍이 둥근 형태인 경우, 직경이 적어도 8 ㎜ [밀리미터] 인 구멍이 바람직하다. 이러한 큰 구멍은 복수개의 유동 통로의 벽에 걸쳐 규칙적인 간격으로 연장하여, 인접한 벽은 동시에 개방되고 횡단 유동이 가능하다.
또한, 배기 가스 유동이 구멍의 가장자리를 지나 유동할 때는, 구멍 쪽으로 방향이 전환되어, 부분 가스 기류의 추가적인 분할이일어난다. 이러한 효과는 구멍의 단면이 증가할수록 향상된다.
또한, 층의 적어도 절반은 구멍을 가질 것이 제안되며, 이 경우 층 각각에 대하여 개방된 구멍 단면의 총합은 폐쇄된 층 표면의 적어도 30% 에 해당한다. 이러한 구성은 예를 들면, 지지체가 매끈하고 주름진 층을 갖도록 설계되는 경우에 바람직하고, 그 경우 특히 매끈한 층은 구멍을 갖도록 설계되고 주름진 층은 안내 표면 또는 만입부를 갖는 통로를 제공한다. 폐쇄된 층 표면의 적어도 30%가 구멍을 갖도록 설계된다는 정보는 이러한 유형의 구멍이 층 마다 얼마나 많이 구비되어야 하는 지를 나타낸다. 특히 많은 스트레스를 받은 지지체의 경우 또는 촉매 활성 코팅이 위치되어야 하는 충분한 표면 영역을 보장하기 위하여, 개방된 구멍 단면의 총합은 폐쇄된 층 표면의 50% 값을 초과하지 않아야 한다. 이와 관련하여, 폐쇄된 층 표면은 특히 개구가 구비되어 있지 않은 경우의 층의 표면 영역에 관계된다
지지체에 있어서, 상기 유동 경로는 그를 통과하는 가스 유동이 상기 유동 경로의 길이의 80% 이상에 걸쳐 난류가 되도록 구성되는 것이 특히 바람직하다. 이 경우, 지지체의 유동 경로의 대부분, 특히 바람직하게는 모두가 이에 따라 구성된다. 본 발명에 따른 코팅의 사용은 이러한 특히 난류인 가스 유동에 대해 특히 적합하다는 것이 입증되었다.
본 발명의 또 다른 태양으로는, 촉매 활성 코팅을 갖는 하나 이상의 코팅부를 포함하는 전체 표면을 갖는 지지체의 제조 방법으로서,
a) 매끈한 표면을 갖는 지지체를 제공하는 단계,
b) 미리 정해진 주변 조건 하에서 지지체 내의 압력 손실을 결정하는 단계,
c) 평균 조도 깊이 (Rz) 가 2 내지 10 ㎛ 범위이고, 상기 지지체에서 압력 손실의 최대 증가가 25% 로 되게 하는 표면을 제조하는 단계, 및
d) 표면을 따른 3 ㎛ 이상의 평균 간격 (34) 으로 분산되도록 촉매 요소를 배열하는 단계를 포함하는 지지체의 제조 방법이 제안된다. 이 방법은 본 발명에 따라 상기 설명한 바와 같은 지지체를 제조하는 데 특히 적합하며, 이러한 점에서 추가적인 설명에 대해서는 상기의 내용을 모두 참조할 수 있다.
단계 a) 는 특히 하나 이상의 적어도 부분적으로 구조화된 포일을 갖도록 형성되는 금속 허니컴체의 제공을 포함한다. 단계 b) 는 특히 이미 상기 설명한 방식으로 수행된다. 단계 c) 가 수행되기 전에, 지지체는 적어도 부분적으로 다시 분해되고 그리고/또는 다른 요소와 결합될 수 있다. 또한, 특히 단계 a), c) 및/또는 단계 d) 와 관련하여, 지지체의 열처리 (산화, 가열 등) 및/또는 접합 공정 (용접, 납땜, 접착제 결합 등) 이 수행될 수 있다. 단계 b) 및 c) 는 단계 d) 가 시작되기 전에 압력 손실의 원하는 증가가 있을 때까지 반복될 수도 있다. 하지만, 특히 이러한 유형의 지지체의 연속적인 생산을 위해서 단계 b) 가 필수적으로 수행되어야 하는 것은 아니며, 고정된 경계 조건에 대해서 단계 a) 로부터 얻어진 지지체는 항상 동일한 압력 손실을 갖고, 단계 c) 로부터 얻는 지지체는 항상 압력 손실의 동일한 증가를 가지며, 이에 따라 이러한 특성 변수는 더 이상 개별적으로 결정될 필요는 없는 것으로 생각할 수 있다.
상기 방법은 단계 c) 가,
c1) 표면의 가공 공정,
c2) 표면 산화물의 형성 공정,
c3) 상기 표면의 코팅 공정, 및
c4) 나노기술에 의해 상기 표면에 재료를 적용하는 공정 중 적어도 하나의 공정을 포함하는 경우가 바람직하다.
특정한 상황 하에서, 이러한 공정들 중 둘 이상을 수행하는 것이 유리하며, 그 경우 상기 공정은 공정의 진행에 있어서 서로 다른 시간에 일어날 수도 있다.
공정 c1) 은 예를 들면 표면의 연마 처리 (연삭, 스크래칭 등) 를 포함하고, 공정 c2) 는 이미 전술한 바와 같이 특히 산화 알루미늄의 성장에 관한 것이다. 이에 따라, 공정 c1) 및 c2) 는 주로 지지체 자체의 기초 재료의 조도 분포에 있어서의 변화를 수반하는 작업 단계인 반면, 공정 c3) 및 c4) 는 (동일한) 추가 재료의 적용에 관한 것이다. 공정 c3) 및 c4) 에 있어서, 배기 가스 촉매 변환기에 대해 공지된 코팅 공정이 사용될 수 있고, 또는 대안적으로 전술한 마이크로기술 또는 나노기술 적용 공정을 사용할 수도 있다.
본 발명에 따라 설명되고 그리고/또는 본 발명에 따라 제조된 지지체의 산업상 이용가능성을 위해, 특히 예를 들면 차량과 결합된 배기 가스 처리 장치에 대해 참조가 이루어졌다. 이에 따라, 본 발명은 또한 대응하는 배기 가스 처리 장치, 및 이러한 유형의 배기 가스 처리 장치를 하나 이상 갖는 차량 또한 제안한다.
본 발명 및 기술적 배경은 이하의 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명된다. 도면은 본 발명의 특히 바람직한 변형예를 나타내지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1 은 본 발명에 따른 지지체의 변형 실시형태를 위한 층 (3) 의 사시도.
도 2 는 상기 지지체 (1) 의 또 다른 변형 실시형태의 단부 측을 나타내는 도.
도 3 은 제 1 실시형태의 코팅된 층을 나타내는 도.
도 4 는 제 2 실시형태의 코팅된 층을 나타내는 도.
도 5 는 제 3 실시형태의 코팅된 층을 나타내는 도.
도 6 은 유동 경로의 변형 실시형태를 나타내는 도.
도 7 은 본 발명에 따른 지지체의 또 다른 변형 실시형태를 나타내는 세부 사시도.
도 8 은 배기 가스 처리 장치를 갖는 차량을 나타내는 도.
도 9 는 표면 상에 촉매 요소의 분산 분포를 나타내는 도.
도 10 은 상기 표면 상의 촉매 요소의 분산 분포의 또 다른 설명을 나타내는 도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 지지체 2 코팅
3 층 4 유동 경로
5 최소 단면 6 통로
7 전체 지지 표면 8 코팅부
9 코팅 두께 10 귀금속 촉매
11 표면 경계층 12 경계층 두께
13 저장층 14 직물
15 와이어 필라멘트 16 매끈한 스테인리스 강 포일
17 주름진 스테인리스 강 포일 18 표면 산화물
19 길이 20 반복 간격
21 안내 표면 22 구멍
23 구멍 단면 24 층 표면
25 배기 가스 처리 장치 26 차량
27 하우징 28 주 유동 방향
29 미립자 30 내연 기관
31 배기 시스템 32 촉매 요소
33 크기 34 간격
35 표면 Rz 평균 조도 깊이
도 1 은 유동 경로 (4) 를 적어도 부분적으로 한정하는 주름 구조가 구비된 층 (3) 의 제 1 변형 실시형태의 사시도를 나타낸다. 유동 경로 (4) 는 길이 (19) 를 갖고, 나타낸 변형 실시형태에는, 실질적으로 직선이고, 평행한 배향의 유동 경로 (4) 가 구비된다. 미리 정해진 반복 간격 (20) 으로 층 (3) 을 형성하는 주름진 스테인리스 강 포일 (17) 내에는 통로 (6) 가 구비된다. 중심에 나타나 있는 유동 경로 (4) 에 기초하여 나타낸 바와 같이, 이러한 통로 (6) 는 배기 가스가 상방 또는 하방으로 가압되는 안내 표면 (21) 만을 거치거나, 또는 심지어 층 (3) 을 통과하는 인접한 개구를 경유하여 다른 유동 경로 (4) 내로 지나갈 수 있게 해준다. 화살표로 나타낸 유동 경로 (4) 를 보다 세부적으로 고려하는 경우, 배기 가스 기류는 유동 경로 (4) 내에 배열된 안내 표면 (21) 과 접촉하며, 이 안내 표면은 유동 경로 (4) 의 최소 단면을 좁히는 것이 명백하다. 발생하는 동압으로 인하여, 유동 경로 (4) 내에 위치한 배기 가스 기류의 대부분은 상방으로 전환되고, 금속 와이어 필라멘트의 직물 (도시 생략) 이 바람직하게는 이 위치에 구비되어, 통과하는 배기 가스를 여과 또는 정화한다. 하지만, 동압은 배기 가스가 전환할 수 있는 때까지만 증가한다. 이는 좌측에 나타난 점선 화살표에 기초하여 식별될 수 있다. 추가적으로는 안내 표면 (11) 은 유동 경로 (4) 를 완전히 폐쇄하지 않아, 거기서 바이패스 유동 (도 1 에서 우측 상의 점선 화살표) 또한 가능함을 주목해야 한다.
특히 상부 또는 하부에 배열된 와이어 필라멘트 직물을 갖는 이러한 유형의 장치는 바이패스 유동 필터라고도 하는데, 왜냐하면 각각의 경우에 부분 배기 가스 기류는 각각의 안내 표면을 지나 유동할 가능성을 갖기 때문이다. 하지만, 궁극적으로는 안내 표면은 "통계적으로" 모든 배기 가스가 한번 이상 필터 매질을 통과해 지나가는 방식으로 배열되는 것이 바람직하다. 이러한 바이패스 유동 필터의 특수한 이점은 매우 낮은 압력 손실을 갖는다는 점이다. 바이패스 유동 필터는 상당한 변환 및 여과율을 달성할 수도 있다.
도 2 는 지지체 (1) 의 변형 실시형태를 나타내며, 복수개의 매끈하고 구조화된 층 (3) 이 S 형상으로 감겨서 하우징 (27) 내에 배열된다. 층 (3) 은 매끈한 스테인리스 강 포일 (16) 및 주름진 스테인리스 강 포일 (17) 을 사용하여 형성된다. 매끈한 스테인리스 강 포일과 주름진 스테인리스 강 포일 사이에는 서로 실질적으로 평행하게 뻗은 채널 또는 유동 경로 (4) 가 형성된다. 스테인리스 강 포일 (16, 17) 로 전체적으로 나타낸 유동 경로 (4) 의 경계는 기하학적 표면 영역 또는 GSA 로 알려진 전체 지지 표면 (7) 을 만든다.
도 3 은 층 (3) 상에 형성된 코팅 (2) 의 제 1 변형예를 세부적으로 나타낸다. 전체적으로, 코팅 (2) 은 최대 10 ㎛ 의 코팅 두께를 갖는다. 코팅 (2) 은 외부 표면 경계층 (11) 에 의해 형성되며, 이는 배기 가스와 직접 접촉하고 있으며 경계층 두께 (12) 는 최대 1 ㎛ 이다. 실질적으로 모든 귀금속 촉매 (10) 는 이 표면 경계층 (11) 내에 배열된다. 또한, 표면 경계층 (11) 과 층 (3) 사이에는 다공성 저장층 (13) 이 구비된다. 이 저장층은 예를 들면 감마-Al2O3 (와시코트) 또는 CeO 및 다른 산화물과 감마-Al2O3 의 혼합물을 사용하여 형성되며, 이 경우 그 층 두께는 이에 대응하여 작게 선택된다.
도 4 는 코팅 (2) 의 또 다른 전형적인 실시형태를 나타내며, 층 (3) 은 대응하는 알루미늄 함량을 갖는 매끈한 스테인리스 강 포일 (16) 을 사용하여 형성된다. 표면 산화물 (18) 은 매끈한 스테인리스 강 포일 (16) 내에 존재하는 알루미늄 (적절한 경우 대안으로서 또는 추가적으로 이후 첨가되는 알루미늄) 에 적절한 열처리를 사용하여 의해 형성된다. 표면 산화물 (18) 은 예를 들면 매끈한 스테인리스 강 포일 (16) 의 조도 깊이를 증가시켜, 귀금속 촉매 (10) 가 영구적으로 설치될 수 있다.
도 5 에서는, 귀금속 촉매 (10) 가 층 (3) 에 적용되어 있다. 이는 표면 경계층 (11) (즉, 특히 귀금속 촉매 (10) 가 배열되는 코팅층) 의 경계층 두께 (12) 또는 총 코팅 두께 (9) 를 몇 나노미터로 제한한다. 이와 관련하여, 귀금속 촉매 (10) 가 코팅부 내에 또는 층 표면 (24) 상에 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 여기서 큰 구멍 단면 (23) 을 갖는 구멍 (22) 또한 층 (3) 에 나타나 있으며, 층 (3) 을 통과하는 유동 교환을 가능하게 한다.
도 3 내지 도 5 는 또한 개별 귀금속 촉매 (10) 사이의 요구되는 간격 (34) 을 나타낸다.
도 6 은 유동 경로 (4) 의 변형 실시형태의 세부사항을 도식적으로 나타낸 다. 지지체는 이 경우 직물 (14) 및 주름진 스테인리스 강 포일 (17) 이 교대로 배열되어 형성된다. 유동 경로 (4) 는 최소 단면 (5) (해치부분) 이 0.5 ㎟ 이상이 되도록 설계된다. 최소 단면 (5) 을 결정할 때, 유동 경로 (4) 내로 돌출하는 안내 표면 (21)은 고려되지 않고, 이 지점에서의 총 단면 (유동 경로의 큰 하위 영역 내에 존재) 이 사용된다.
직물 (14) 은 예컨대 두께가 15 ~ 50 ㎛ [마이크로미터] 이도록 설계된 와이어 필라멘트 (15) 를 포함한다. 직물은 단위 면적당 중량이 200 ~ 1000 g/㎡ [제곱미터당 그램] 이고, 높이가 0.1 ~ 0.5 ㎜ [밀리미터] 인 것이 유리하다. 개별 와이어 필라멘트 (15) 는 함께 용접되고, 대응하거나 유사한 접합이 또한 직물 (14) 과 주름진 스테인리스 강 포일 (17) 사이에 구비되는 것이 유리하다. 다시 한번, 유동하면서 지나가는 배기 가스 내의 오염 물질의 촉매 변환을 활성화하기 위한 귀금속 촉매 (10) 가 직물 (14) 상에 또는 직물 (14) 내에 그리고 주름진 스테인리스 강 포일 (17) 상에 직접 구비된다.
도 7 은 지지체의 또 다른 구성의 세부 사시도를 나타낸다. 지지체는 다시 한번 직물 (14) 이 구비된 주름진 층 (3) 을 갖도록 형성된다. 층 (3) 에는 배기 가스 유동에 영향을 주기 위한 안내 표면 (21) 이 구비되며, 배기 가스는 (동반된 미립자와 동일하게) 보통 지지체 (1) 를 통과하여 주 유동 방향 (14) 으로 유동한다. 이러한 변형 실시형태에서는 단지 바닥에 나타낸 주름진 층 (3) 에만 구멍 (22) 이 구비되지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 그 사이에 배열된 매끈한 층은 매끈한 스테인리스 강 포일 (16) 을 갖는 부분과 직물 (14) 을 갖는 다른 부분을 포함하는 복합 재료를 포함한다. 두 요소는 접합 기술, 특히 용접에 의해 서로 연결되는 것이 유리하다. 도면에서는 매끈한 스테인리스 강 포일 (16) 이 코팅부 (8) 를 형성하는 것, 즉 촉매 활성 재료가 거기에 제공되는 것을 나타내고 있다. 이러한 변형 실시형태에서, 직물 (14) 은 대응하는 코팅이 없이 설계된다. 또한, 추가적인 구멍 (22) 또는 통로 (도시 생략) 가 매끈한 스테인리스 강 포일 (16) 및 직물 (14) 내에 모두 구비될 수도 있다.
도 8 은 차량 (26) 내의 배기 가스 처리 장치 (25) 로서 여기 개시된 지지체에 대한 특히 바람직한 적용 영역을 나타낸다. 내연 기관 (30) 내에서 생성되는 배기 가스는 대응하는 배기 시스템 (31) 을 통과하여 지나가며, 그 과정 동안 배기 가스는 예를 들면, 궁극적으로 순수한 형태로 주위에 배출되기 전에, 이러한 유형의 지지체를 갖는 복수개의 배기 가스 처리 장치 (25) 를 통하여 유동한다. 나타낸 적용 영역에 추가로, 이러한 유형의 지지체는 또한 정치 연소 설비, 기계, 수공구 등에 대해서도 사용될 수 있다.
도 9 는 코팅부 (8) 내의 전체 지지 표면 (7) 상의 촉매 요소 (32) 의 분산 분포를 도식적으로 나타낸다. 촉매 요소 (32) 는 지지체 (1) 의 표면 상에 분산 형태로 분포되고, 촉매 요소 (32) 는 평균 크기 (33) 가 10 ㎚ 미만인 것이 유리하다. 촉매 요소 (32) 는 촉매 요소 (32) 의 크기 (33) 보다 더 큰 범위의 간격 (34) 으로 서로에게서 떨어져 배열된다.
도 10 은 표면 (35) 을 따르는 평균 간격 (34) 이 3 ㎛ 이상인 촉매 요소 (32) 의 분산 배열을 다른 방식으로 다시 나타낸다. 또한, 표면의 평균 조도 깊이 (Rz) 는 약 6 ㎛ 이며, 이는 이 경우 매끈한 스테인리스 강 포일 (16) 의 표면 산화물 (18) 에 의해 형성된다. 본 발명에 따른 조도 분포는 촉매 요소 (32) 들 사이의 충분한 간격을 보장하여, 심지어 표면 (35) 상의 촉매 요소 (32) 의 밀도가 증가되더라도, 이러한 촉매 요소는 함께 융합되는 것이 방지되어, 배기 가스 오염 물질의 효율이 보장된다. 또한, 향상된 오염 물질의 변환에 추가로, 코팅 재료의 양의 감소로 인하여, 이러한 유형의 지지체의 제조 비용에 관한 추가적인 이점을 얻을 수 있다.

Claims (20)

  1. 지지체 (1) 의 표면 (35) 에 분산 형태로 배열되는 하나 이상의 유형의 촉매 요소 (32) 를 포함하는 촉매 활성 코팅 (2) 을 갖는 코팅부 (8) 를 하나 이상 포함하는 전체 표면 (7) 을 갖는 지지체 (1) 로서,
    - 상기 촉매 요소 (32) 는 표면을 따른 3 마이크로미터 이상의 평균 간격 (34) 을 갖고,
    - 상기 표면 (35) 은 2 내지 10 마이크로미터의 평균 조도 깊이 (Rz) 를 가지며,
    - 상기 지지체 (1) 는 매끈하고 코팅되지 않은 표면 (35) 을 갖는 지지체와 비교하여 압력 손실에 있어서 25 % 의 최대 증가를 갖고,
    상기 유형의 촉매 요소 (32) 는 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어지는 군으로부터 선택된 귀금속 촉매 (10) 를 포함하는 지지체 (1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 요소 (32) 는 상기 전체 지지 표면 (7) 의 0.2 내지 2.0 g/㎡ 의 양으로 배열되는 지지체 (1).
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 요소 (32) 의 평균 크기 (33) 는 5 내지 10 ㎚ 범위인 지지체 (1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 적어도 부분적으로 구조화된 가스 불투과성 재료의 층 (2) 을 갖도록 구성되어, 0.5 ㎟ 의 최소 단면 (5) 을 갖는 유동 경로 (4) 가 다수 존재하고, 그 유동 경로 (4) 중 적어도 대부분은 하나 이상의 인접한 유동 경로 (4) 로 가는 복수개의 통로 (6) 를 갖도록 설계되는 지지체 (1).
  6. 제 1 항에 있어서,
    전체 지지 표면 (7) 의 하나 이상의 코팅부 (8) 에 코팅 두께 (9) 가 15 ㎛ 이하인 촉매 활성 코팅 (2) 이 구비되는 지지체 (1).
  7. 제 1 항에 있어서,
    백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 귀금속 촉매 (10) 는 경계층 두께 (12) 가 1 ㎛ 이하인 표면 경계층 (11) 내에만 구비되는 지지체 (1).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 (2) 은 다공성 저장층 (13) 을 포함하고, 적어도 하나의 코팅부에는 5 내지 30 g/㎡ 의 다공성 저장층이 제공되는 지지체 (1).
  9. 제 5 항에 있어서,
    유동 경로 (4) 는 와이어 필라멘트 (15) 의 직물 (14) 에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 지지체 (1).
  10. 제 5 항에 있어서,
    하나 이상의 적어도 부분적으로 구조화된 층 (2) 은 스테인리스 강 포일 (16, 17) 을 포함하는 지지체 (1).
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 코팅부 (8) 내에서 적어도 와이어 필라멘트 (15) 또는 스테인리스 강 호일 (16, 17) 의 조도 깊이 (Rz) 는 2 내지 6 ㎛ 의 범위인 지지체 (1).
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    적어도 와이어 필라멘트 (15) 또는 스테인리스 강 포일 (16, 17) 은 조성물로서 알루미늄을 포함하며, 이 알루미늄은 하나 이상의 코팅부 (8) 내의 표면 산화물 (18) 로서 형성되는 지지체 (1).
  13. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 귀금속 촉매 (10) 가 적어도 와이어 필라멘트 (15) 또는 스테인리스 강 (16, 17) 에 직접 적용되는 지지체 (1).
  14. 제 5 항에 있어서,
    각각의 유동 경로 (4) 는 길이 (19) 를 갖고, 이 길이 (19) 에 걸쳐 20 ㎜ 이하의 반복 간격 (20) 으로 통로 (6) 를 갖는 지지체 (1).
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 통로 (6) 들 중 적어도 일부는 상기 유동 경로 (4) 내로 돌출되는 안내 표면 (21) 에 주어져 있는 지지체 (1).
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 유동 경로 (4) 는 그를 통과하는 가스 유동이 상기 유동 경로 (4) 의 길이 (19) 의 80% 이상에 걸쳐 난류가 되도록 구성되는 지지체 (1).
  17. 촉매 활성 코팅 (2) 을 갖는 하나 이상의 코팅부 (8) 를 포함하는 전체 표면 (7) 을 갖는 지지체 (1) 의 제조 방법으로서,
    a) 매끈한 표면 (35) 을 갖는 지지체 (1) 를 제공하는 단계,
    b) 미리 정해진 주변 조건 하에서 지지체 (1) 내의 압력 손실을 결정하는 단계,
    c) 평균 조도 깊이 (Rz) 가 2 내지 10 ㎛ 범위이고, 상기 지지체 (1) 에서 압력 손실의 최대 증가가 25% 로 되게 하는 표면 (35) 을 제조하는 단계, 및
    d) 표면을 따른 3 ㎛ 이상의 평균 간격 (34) 으로 분산되도록 촉매 요소 (32) 를 배열하는 단계를 포함하고,
    상기 촉매 요소 (32) 는 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어지는 군으로부터 선택된 귀금속 촉매 (10) 를 포함하는 지지체 (1) 의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    단계 c) 는,
    c1) 표면 (35) 의 가공 공정,
    c2) 표면 산화물 (34) 의 형성 공정,
    c3) 상기 표면 (35) 의 코팅 공정, 및
    c4) 나노기술에 의해 상기 표면 (35) 에 재료를 적용하는 공정 중 적어도 하나의 공정을 포함하는 지지체 (1) 의 제조 방법.
  19. 제 1 항에 따른, 또는 제 17 항 또는 제 18 항에 따른 지지체 (1) 의 제조 방법에 의해 제조된 지지체 (1) 를 하나 이상 포함하는 배기 가스 처리 장치 (25).
  20. 제 19 항에 따른 하나 이상의 배기 가스 처리 장치 (25) 를 갖는 차량 (26).
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